新型金屬材料在機(jī)械制造中的運(yùn)用探討

陳虎嘯

（寧波家聯(lián)科技股份有限公司， 浙江 寧波 315200）

0 引言

機(jī)械制造行業(yè)在發(fā)展中務(wù)必提升機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品的綜合性能，以滿足社會(huì)需求，運(yùn)用新型金屬材料就成為必然選擇。新型金屬材料作為國(guó)家科技發(fā)展的重大成果，和傳統(tǒng)金屬材料比起來安全性和穩(wěn)定性更高， 性能也有顯著提升。 所以， 運(yùn)用新型金屬材料對(duì)提升機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省生產(chǎn)制造成本、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命等均有重要意義，從而使機(jī)械設(shè)備的綜合性能更好，在社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

1 機(jī)械制造中新型金屬材料運(yùn)用簡(jiǎn)述

機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展歷史悠久，運(yùn)行規(guī)范。隨著新裝備的涌現(xiàn)、新工藝的探索，機(jī)械制造正快速?gòu)母咝录夹g(shù)中汲取營(yíng)養(yǎng)成分， 從傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)動(dòng)向轉(zhuǎn)向技術(shù)和科學(xué)并重的新型產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向[1]。如今機(jī)械制造在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，新型金屬材料被不斷開發(fā)、運(yùn)用，以傳統(tǒng)材料為配件的機(jī)械制造在市場(chǎng)的存在感越來越弱， 運(yùn)用新型金屬材料使機(jī)械制造呈現(xiàn)出新的發(fā)展面貌。 新型金屬材料強(qiáng)度高、協(xié)調(diào)性好，例如機(jī)械鋼材中的高端特鋼具備強(qiáng)度高、韌度高、磁感高、鐵損低、抗低溫以及耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、壽命長(zhǎng)等特性，其品質(zhì)優(yōu)劣成為衡量鋼鐵生產(chǎn)實(shí)力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。 在這之中，高速鋼耐蝕鋼、合金工模鋼以及精密合金鋼等特鋼是機(jī)械制造行業(yè)最主要的鋼類材料需求。

除了耗材的運(yùn)用， 新型金屬材料在機(jī)械零部件制造中的也發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。 例如金屬基復(fù)合材料，不僅力學(xué)上的強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度和韌性等綜合性能更強(qiáng)，意味著機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性更高、 使用壽命更長(zhǎng)。 就拿內(nèi)燃機(jī)來說，活塞和活塞環(huán)、缸壁長(zhǎng)期在高溫高壓條件下摩擦，傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)或者鑄鐵材質(zhì)的活塞極易變形、 磨損或出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象， 運(yùn)用金屬基復(fù)合材料制造活塞能妥善解決這些問題。 特別是發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，可以運(yùn)用增強(qiáng)鋁鎂合金所制活塞，提高耐磨性和耐熱性，線膨脹系數(shù)也更低。

2 新型金屬材料在機(jī)械制造中運(yùn)用的基本要求

2.1 節(jié)能環(huán)保

企業(yè)在機(jī)械制造中運(yùn)用新型金屬材料時(shí)要貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，盡量預(yù)防在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量廢料、廢氣，減少資源浪費(fèi)與環(huán)節(jié)污染。一些金屬材料在進(jìn)行熱工藝處理之后可以提升性能，也會(huì)延長(zhǎng)使用壽命，但有環(huán)境污染現(xiàn)象，消耗較多能源，需要企業(yè)避免使用大量需要熱處理的金屬材料。若金屬材料不能避免熱處理，應(yīng)盡量運(yùn)用處理工序更少的新型金屬材料， 降低能耗及環(huán)境污染程度。

2.2 安全性高

傳統(tǒng)金屬材料在加工制造中可能出現(xiàn)有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害自然環(huán)境，在機(jī)械制造中要盡量少用。如果條件允許，可用新型金屬材料直接取代傳統(tǒng)材料。例如常見金屬泡沫材料就是無毒無害材料，安全性高，污染環(huán)境的程度較低。而且金屬材料市場(chǎng)有很多不被重視的新型材料，在機(jī)械制造中要充分調(diào)查市場(chǎng)情況， 做好新型金屬材料的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)工作，得到性能數(shù)據(jù)，考慮性價(jià)比適合機(jī)械制造運(yùn)用與否。 所以優(yōu)先運(yùn)用安全性高的新型金屬材料也是企業(yè)在機(jī)械制造中需要重點(diǎn)滿足的要求。

2.3 回收再生

運(yùn)用合適的金屬材料對(duì)于機(jī)械制造而言至關(guān)重要，應(yīng)減少材料類型，盡量運(yùn)用易降解的、能夠回收和再生的新型金屬材料，提高環(huán)境兼容性。機(jī)械設(shè)備在使用環(huán)節(jié)必然存在材料磨損問題，嚴(yán)重磨損的金屬材料應(yīng)報(bào)廢，后續(xù)的回收則是重要因素， 若廢棄金屬材料不能被大比例回收，浪費(fèi)資源的問題會(huì)日益嚴(yán)重。一些金屬材料涉及到有害物質(zhì)，如果不能回收，會(huì)對(duì)人的身體健康造成危害，在制造機(jī)械元件時(shí)就應(yīng)保證金屬零部件材料性能優(yōu)良。 同時(shí)減少材料元素類型， 讓新型金屬材料被廢棄回收之后能夠二次利用。如果是金屬和橡膠的混合制造，報(bào)廢后的回收就難以將金屬物質(zhì)分離出來，降低二次利用率。

3 新型金屬材料在機(jī)械制造中運(yùn)用應(yīng)把握的要點(diǎn)

3.1 形態(tài)

無論是以往的手工業(yè)時(shí)代制造手工藝品， 還是工業(yè)時(shí)代制造工業(yè)品， 均運(yùn)用很多新型材料和工藝生產(chǎn)制造各類必需品， 當(dāng)下涌現(xiàn)的新型金屬材料更使機(jī)械制造飛速進(jìn)步。在機(jī)械制造中運(yùn)用新型金屬材料時(shí)，應(yīng)把握新型材料與工藝是怎樣促進(jìn)產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)步的。 例如可以任意彎曲變形的新型金屬材料， 其運(yùn)用能夠解決當(dāng)下機(jī)械制造的金屬材料難題。 這類材料由美國(guó)紐約的一家企業(yè)使用ALGO 韻律技術(shù)所創(chuàng)建。 生物的基因是讓大自然出現(xiàn)多種形態(tài)的因素，ALGO 韻律技術(shù)的原理與之類似，在新型金屬材料加工中使用大量基因代碼庫， 生產(chǎn)任何形狀的機(jī)械產(chǎn)品[2]。這類新型金屬材料在機(jī)械制造中運(yùn)用廣泛，企業(yè)無需考慮曲面加工可行與否， 只需根據(jù)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意制造即可， 有機(jī)整合柔軟度和硬度。 又如法國(guó)人通過AEGIS 工程研制了智能化的新型金屬材料， 實(shí)現(xiàn)對(duì)先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)金屬材料的整合，被稱作十分堅(jiān)硬的羊毛盾，不僅十分堅(jiān)硬，還具備羊皮的柔軟度。這樣的特性由材料結(jié)構(gòu)決定，通過微小傳感器串聯(lián)多個(gè)三角形金屬片，形成一個(gè)整體，并按照外部條件的動(dòng)作、溫度、聲音等變化而變化，可以與外界交互，能夠產(chǎn)生任何有極形態(tài)，保證機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造滿足基本要求。

3.2 功能

如果根據(jù)新型金屬材料的功能來劃分， 可以將其分成結(jié)構(gòu)材料、功能材料，通過把握材料的功能改善機(jī)械制造[3]。 結(jié)構(gòu)材料是沒有特殊功能，最明顯的價(jià)值在于發(fā)揮結(jié)構(gòu)的作用；功能材料不同，既有結(jié)構(gòu)功能，又有特殊功能，例如能夠減震、吸收聲音、屏蔽電磁等，滿足基本運(yùn)用要求。 一旦在機(jī)械制造實(shí)踐中運(yùn)用功能特殊的新型金屬材料，就會(huì)涌現(xiàn)大量新的機(jī)械產(chǎn)品，這些機(jī)械產(chǎn)品的功能也不一樣。 例如運(yùn)動(dòng)器材企業(yè)Vya Tek 研制的新型金屬材料Exo Grid， 其最顯著的特性在于強(qiáng)度極高、 重量很輕，屬于新型金屬?gòu)?fù)合材料。 它的制造是先將傳統(tǒng)的鋼、鈦等材料制作成管狀結(jié)構(gòu)，接下來利用先進(jìn)加工工藝，如當(dāng)下較為成熟的激光加工工藝，將毛坯表面處理成網(wǎng)狀，大大減輕金屬工件的重量， 然后基于高溫高壓條件在金屬管里填充碳素纖維材料，再冷卻即可。新型金屬材料不同， 特性也不同，Exo Grid 是混合金屬與碳纖維材料而得，運(yùn)用于機(jī)械制造可以提高機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度和韌性，并提供彎曲扭轉(zhuǎn)便利，減輕質(zhì)量，前景光明。

3.3 色彩

除了形態(tài)和功能， 新型金屬材料在機(jī)械制造中的運(yùn)用還應(yīng)充分把握其色彩特性。色彩依賴材料而存在，沒了材料就不能將色彩現(xiàn)象表示出來。 新型金屬材料在使用色彩以后可以將材料的質(zhì)感襯托出來。 在機(jī)械制造的實(shí)踐運(yùn)用中主要涉及到人為色彩、固有色彩[4]。 新型金屬材料中的金屬不同，色彩自然有差異，很多金屬色彩已經(jīng)被大眾所固化，例如金色的黃金、銀色的白銀等。 隨著人們的生活質(zhì)量越來越高，審美需求持續(xù)提升，傳統(tǒng)金屬材料的固有色彩難以滿足， 需要在機(jī)械制造中按照實(shí)際需求運(yùn)用新型金屬材料，并做好色彩處理，突出美感。 例如利用物理、 化學(xué)或熱處理的方式可以進(jìn)行金屬材料的人為色彩處理，形成表面色澤不同的鍍層或膜層。雖然金屬材料的固有顏色無法改變， 但機(jī)械制造行業(yè)利用不同工序做好金屬材料的加工處理，能夠改變材料的人為色彩，使機(jī)械產(chǎn)品的色彩富于變化。例如金屬鈦和其合金有點(diǎn)眾多，主要包括化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、比重很低、機(jī)械制造性高等，在機(jī)械制造中得到十分廣泛的運(yùn)用。 然而傳統(tǒng)制造方式下的鈦合金通常只有黑色和拋光的銀色， 在制造機(jī)械時(shí)使用鈦材料，可利用納米表面工藝，在鈦的表面形成薄薄的一層非晶體氧化層，得到顏色多樣的鈦合金。由此制造的機(jī)械設(shè)備色彩穩(wěn)定，還有形狀各異的曲面，體現(xiàn)藝術(shù)美感。

4 新型金屬材料在機(jī)械制造中運(yùn)用的主要方式

新型金屬材料類型多樣，如上所述，擁有特殊的色彩光澤和良好的延展性等。目前在機(jī)械制造實(shí)踐中運(yùn)用較多新型金屬材料主要有高溫合金和非晶態(tài)合金等，其加工特性通過鍛壓性與鑄造性來展示，強(qiáng)化實(shí)踐運(yùn)用。 例如金屬基復(fù)合材料，這是價(jià)值很高的新型金屬材料之一，其制造和運(yùn)用涉及到金屬、物理、化學(xué)等學(xué)科，運(yùn)用及發(fā)展空間較大。

針對(duì)鑄造成型方式， 主要利用鑄造工藝制造復(fù)合金屬材料，進(jìn)而制造機(jī)械設(shè)備零件。 在鑄造中，熔體黏度因?yàn)榧尤朐鰪?qiáng)顆粒而變化，例如增強(qiáng)顆粒和金屬反應(yīng)。在形狀復(fù)雜機(jī)械零件的制造中使用砂型鑄造方式。 對(duì)于顆粒增強(qiáng)材料的運(yùn)用，為了預(yù)防化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，需要控制熔化溫度。 例如高溫碳化硅顆粒使鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)界面反應(yīng)，黏度增大，化學(xué)反應(yīng)物生成不穩(wěn)定，影響金屬材料的性能。鋁基復(fù)合材料的運(yùn)用就應(yīng)精煉鋁溶液，通過精煉造渣方式將熔體雜質(zhì)清除。

針對(duì)短纖維和顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料， 還有鎂基復(fù)合材料，都能采取擠壓和超塑成型等方式，制造組織致密的機(jī)械零件。 在實(shí)踐運(yùn)用環(huán)節(jié)可選擇用潤(rùn)滑劑進(jìn)行表面涂層處理，降低25%左右的壓力，達(dá)到改善摩擦的目的。 金屬基體含有增強(qiáng)物，且變形阻力較大，增強(qiáng)顆粒堅(jiān)硬會(huì)讓模具磨損嚴(yán)重。加入顆粒則能提高基體金屬的變形抗力，但擠壓溫度應(yīng)適中。增強(qiáng)物含量還直接影響著擠壓速度，如果金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)物含量較少，擠壓速度應(yīng)較大。

針對(duì)晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，可通過粉末冶金方式來制造。 如果機(jī)械零件的形狀比較簡(jiǎn)單，精密度較高，粉末冶金方式就是適用的，界面反應(yīng)較少，能夠做好對(duì)增強(qiáng)相含量的調(diào)節(jié)[5]。 例如增強(qiáng)鋁合金基體的強(qiáng)度很高，在車輛機(jī)械制造中運(yùn)用較多，包括自行車架和汽車的鋁合金連桿等。

除開以上新型金屬材料加工運(yùn)用方式， 電化學(xué)加工也是金屬基復(fù)合材料加工的常用方式， 其按照負(fù)極決定材料的切削形狀，利用正極溶解進(jìn)行材料切割，能夠用某種離子電解質(zhì)溶解液來完成。和傳統(tǒng)放電加工方式相比，電化學(xué)加工在介電液流里浸入移動(dòng)的電機(jī)線， 利用機(jī)械工件局部高溫保證材料切削的實(shí)現(xiàn)， 不過要注意探索恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)來做好加工處理。 例如運(yùn)用單個(gè)火花材料去除機(jī)制進(jìn)行火花的研究，SiC 對(duì)SiC 顆粒造成干擾，復(fù)合材料和鋁液脫落的SiC 顆粒未熔，形成重鑄層。 在機(jī)械制造中運(yùn)用增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)， 不允許使用鋁合金切割參數(shù)， 以免一些機(jī)械工件加工制造表面出現(xiàn)玻璃樣粉末硬化的現(xiàn)象。

另外， 在機(jī)械零件制造環(huán)節(jié)可以使用其他新型金屬材料。 每一個(gè)機(jī)械設(shè)備都是由各種各樣的零件組裝而來的， 在加工機(jī)械零件時(shí)要體現(xiàn)新型金屬材料的優(yōu)勢(shì)、性能，提高零件質(zhì)量，夯實(shí)機(jī)械制造的高質(zhì)量發(fā)展基礎(chǔ)[6]。隨著科技不斷進(jìn)步，新型金屬材料的運(yùn)用日益廣泛，科研人員持續(xù)研發(fā)新型金屬材料，極大地提升機(jī)械零件的性能，例如精確度和質(zhì)量更高， 充分體現(xiàn)零件的抗壓性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前在機(jī)械制造行業(yè)制造沖壓模具時(shí)，依舊將鋼材作為主要材料，盡管鋼材性價(jià)比高、可塑性好，但耐熱差、強(qiáng)度差，已經(jīng)不再適用于制造沖壓模具。因此，對(duì)于機(jī)械沖壓模具的制造務(wù)必要按照沖壓模具的工作條件和設(shè)備性能要求選用恰當(dāng)?shù)牟牧稀?例如沖裁模材料和冷擠壓模材料、拉伸模材料等，憑借新型金屬材料的優(yōu)質(zhì)性能在沖壓模具制造中得到深入運(yùn)用。 也就是用于制造機(jī)械沖壓模具的新型金屬材料要具備足夠強(qiáng)的拉伸性、 抗壓性，擁有強(qiáng)度高、耐高溫的性能。

5 結(jié)束語

在機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)變革以及科技革命不斷深入的時(shí)代背景之下，新型材料和信息、能源、生物等高新技術(shù)加速融合，為生命健康與新能源、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的發(fā)展支撐。 目前國(guó)家已經(jīng)把機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)和新型材料擺在突出位置之上， 新型金屬材料和新的科技創(chuàng)新成果越來越多， 企業(yè)在欣喜的同時(shí)要深刻意識(shí)到材料運(yùn)用的重要性， 加強(qiáng)新型金屬材料在機(jī)械制造中運(yùn)用的實(shí)踐探索，推動(dòng)機(jī)械制造的高效化、質(zhì)量化和智能化發(fā)展。 展望未來，在新型金屬材料的可靠物質(zhì)基礎(chǔ)上，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈必將更加可靠， 使機(jī)械制造和新材料、新技術(shù)深度融合，更好地服務(wù)社會(huì)。